[发明专利]可拉伸超声换能器器件

说明书

用于执行超声波等的适形压电换能器阵列包括聚硅氧烷弹性体基底和聚硅氧烷弹性体覆盖层。多个压电换能器元件布置在基底和覆盖层之间。第一电互连层与换能器元件的第一表面电互连，该换能器元件的第一表面与基底相邻，并且第二电互连层与换能器元件的第二表面电互连，该换能器元件的第二表面与覆盖层相邻。

背景技术

超声成像技术已被广泛用于可视化对象中的内部不连续性，以用于非破坏性评估、结构健康监测和医学诊断，因为它们具有非侵入性、高准确性、高灵敏度和强穿透能力。已经创建了具有平底的超声探头以成功地适应平面表面的不同部件。然而，这些刚性探头不能实现牢固的界面接触，并且因此不能实现与不规则的非平面表面的良好耦合，这些非平面表面在真实物体中无处不在。这些界面处的气隙导致大的声能反射和波畸变，从而产生不可靠的试验结果(图6)。超声波耦合剂(例如，水和凝胶)通常用于去除气隙。然而，大量使用耦合剂将导致超声波信号的高通滤波效应，导致小响应回声的巨大消除。此外，广泛使用耦合剂将由于它们的声阻抗的显著不匹配而在耦合剂和受体之间的界面处引起约80％的入射能量传输损失。此外，这些刚性和庞大的探头不能应用于难以到达的位置，例如小空腔和狭缝。因此，通常必须拆卸这些位置处的部件以进行可靠的诊断。同时，承载物体的几何不连续处存在的应力集中使得这些区域特别容易出现缺陷。尽管已经报道了许多方法来解决这种界面耦合问题，但是现有方法的许多缺点仍然存在，例如有限的试样尺寸、要求探头偏移以及庞大的探头壳体，所有这些都损害了原位检测的可行性、检测准确度和灵敏度以及超声波测量的操作便利性。

近来的努力集中于开发主要可以分为下述三类的柔性超声探头：使用有机压电膜作为换能器；将压电陶瓷嵌入聚合物基底中；以及制造电容式微机械超声换能器(CMUT)。有机压电膜具有良好的柔韧性。然而，通常是聚偏二氟乙烯及其共聚物薄膜的聚合物压电驻极体由于其低的机电耦合系数(表征电能和机械能之间耦合的参数)、低介电常数和高介电损耗，而不适合用作发射器。此外，它们的低居里点使得它们难以加工，并且高温应用导致相变，这完全降低了压电特性。压电陶瓷产生优异的机电性能和易加工性。然而，它们由于基底的大弹性模量而不能在没有外力的情况下贴合弯曲表面。通常手动施加的外力通常是不一致的。结果，由于换能器-试样界面处的耦合条件的变化，可能出现所获取的脉冲回波信号中的噪声或甚至伪影。此外，对于与长期结构状态监测相关的一些应用，例如在飞机和汽船的隐藏或难以进入的位置处的疲劳裂纹增长，机械机器人不能支持该测试。CMUT是在分离的硅晶片上制造的，填充元件之间的沟槽的聚二甲基硅氧烷(PDMS)使得换能器具有柔性。这种无源聚合物填料损害了它们在曲面上的贴合性。此外，硅衬底可能是二次谐振器，其产生具有不需要的频率的纵波并最终导致图像中的伪影。而且，由于阵列元件之间的不均匀性和寄生电容，CMUT通常具有比压电陶瓷更低的机电效率。在所有情况下，这些柔性探头只能贴合可展开的表面(例如圆柱形表面)，而不贴合不可展开的表面(例如球形表面)。另外，柔性导电互连在重复使用时会发生断裂或脱粘，因为柔性不足以适应测量期间电极和器件的复杂和时间-动态运动。这些缺点表现出结合优异的超声波性能和允许应用于一般的复杂表面的所需的机械特性的先进探头的发展瓶颈。

发明内容

公开了涉及可以在非平面复杂表面上贴合和检测的可拉伸超声探头的材料、器件、系统和方法。在一些实施例中，这些探头依赖于压电材料和软电子器件的高级微加工。这些器件可以与人体无缝地整合，以实现快速和紧凑的医疗保健应用，例如，可穿戴深层组织成像和治疗。

在一个示例性实施例中，通过在生物相容性聚硅氧烷膜上转印图案化金属电极、无机压电单晶阵列和聚合物包封材料的薄层来微制造器件。通过设计整个器件结构，器件的机械特性将与生物组织的机械特性相匹配，因此使这些器件的机械负载最小化。

在一个实施例中，包括10×10阵列的高性能1-3型压电复合材料换能器的可拉伸超声探头利用具有多层电极的“岛-桥”布局，由薄且贴合的聚硅氧烷弹性体封装，该可拉伸超声探头已经表现出优异的机电耦合、最小的串扰和超过50％的拉伸性。通过经由平坦表面、凹表面和凸表面重建具有高空间分辨率的三维空间中的缺陷，证明了其性能。